Система генерування, накопичування і розподілу електроенергії

Винахід відноситься до енергетики, зокрема до енергосистем, що включають генерування електроенергії різноманітними пристроями, накопичування і раціональний її розподіл. Відома енергетична система, що містить центри генерації електроенергії і які включають об'єднання різноманітних електростанцій - теплових, атомних, гідроелектростанцій, що постачають центри споживання й генерації, що забезпечують баланс, здійснюваного електростанціями, що з'єднуються, і баланс навантаження, здійснюваного областями, що з'єднуються, різними за структурою споживання (Звістки Академії наук РФ., сер. Енергетика, - 1994. -№2. - C. 22-32). Однак, зазначена система не передбачає надання резервів, тобто аварійних запасів, у випадку аварій і підтримки при екстраординарних умовах живлення, таких як несприятлива погода, недолік енергоресурсів і т.д., а також не забезпечує короткострокові постачання електрики з метою економічної оптимізації генерації. Не вирішені багато задач динамічної стійкості, що виникають при великих збурюваннях в енергосистемі. Частково вирішені ці задачі в енергетичній системі (Звістки Академії наук РФ., сер. Енергетика. - 1996. №6. - С. 113-123), де проблема керування електромеханічними перехідними процесами при перевантаженні в енергосистемі частково вирішена і для забезпечення динамічної стійкості останньої застосоване електричне гальмування - підключення спеціальних навантажувальних опорів і керованих реакторів чи статичних тиристорних компенсаторів, тобто керованих джерел реактивної потужності. Таке технічне рішення дозволяє запобігти в перших циклах взаємних хитань роторів випадання із синхронізму окремих генераторів чи взаємозалежних груп із них (підсистем), забезпечити загасання перехідного процесу і тим самим тимчасово (до наступної аварійної ситуації) стабілізувати режим електроенергетичної системи. Повне рішення задачі стійкості енергосистеми може бути вирішене на шляхах включення в енергосистему могутніх накопичувачів енергії і додаткових генеруючих джерел, які б у короткий термін могли бути підключені до енергосистеми. Найбільш близької по технічній сутності і по результаті, що досягається, до винаходу, що заявляється, (прототипом) є система генерування, накопичування і розподілу електроенергії, що складається з першої й другої енергетичних мереж із загальною границею, на якій розташовані прикордонні перетворювачі постійного струму в перемінний і перемінного струму в постійний і накопичувач електроенергії, при цьому кожна з енергетичних мереж містить генеруючі установки різноманітних типів, енергетичні ринки і високовольтні лінії електропередачі, що зв'язують генеруючі установки з енергетичним ринком і перетворювачами (патент США № 6026349 МПК 7 НО 2J 003/06, опубл. 2000 р.). Така система генерування, накопичування і розподілу електроенергії, що складається з двох енергомереж, що розрізняються характером генерування й споживання енергії і які мають загальні перетворювачі і накопичувачі, дозволяє в деяких межах здійснити маневр енергопотоків. Однак можливості зазначеного маневру обмежені через однотипність генеруючих установок і відсутность резервних потужностей, які б враховували сезонну і добову фазність інтенсивності генерування й споживання електроенергії. В основу винаходу, що пропонується, поставлена задача підвищення ефективності функціонування системи генерування, накопичування і розподілу електроенергії, у якій за рахунок уведення нових елементів і вузлів і організації нового зв'язку між вузлами досягається підвищення живучості системи, розширення ринку виробників і споживачів електроенергії, збільшення гнучкості системи в аварійних ситуаціях. Поставлена задача зважується тим, що в систему генерування, накопичування і розподілу електроенергії, що містить першу і другу енергетичну мережу із загальною границею, на якій розташовані прикордонні перетворювачі постійного струму в перемінний і перемінного струму в постійний і прикордонні накопичувачі електроенергії, при цьому кожна з енергетичних мереж містить генеруючі установки різноманітних типів, енергетичні ринки і високовольтні лінії електропередачі, що зв'язують генеруючі установки з енергетичним ринком і перетворювачами, додатково введені ланцюжки локальних сонячних електростанцій, підключених до кожного з енергетичних ринків і утримуючих фотоелектричні перетворювачі, накопичувачі електроенергії і перетворювачі постійного струму в перемінний і перемінного струму в постійний струм, причому зазначені ланцюжки сонячних електростанцій розташовані в безпосередній близькості до споживачів електроенергії. Уведення в систему генерування, накопичування і розподілу електроенергії ланцюжка електростанцій, тобто розподілених джерел електроенергії, максимально наближених до споживачів - учасникам енергоринка, знижує навантаження на прикордонні перетворювачі і прикордонні накопичувачі енергії в обмінних перетоках електроенергії між енергетичними мережами, підвищує ефективність шевінгування добових, тижневих і річних навантажувальних графіків. Використання ланцюжка локальних сонячних електростанцій, підключених до кожної з енергомереж і до розподілених споживачів, дозволяє знизити втрати на передачу, витрати на обслуговування і підвищити безаварійність роботи всієї системи, тому що значна кількість електроенергії генерується й накопичується в локальних нагромаджувачах електроенергії безпосередньо в споживача - учасника енергоринка. При цьому розподіленими споживачами можуть бути електрофіковані ділянки залізниці, промислові підприємства, автомагістралі, віддалені селища чи окремі котеджі, річкові й морські порти. Використання фотоелектричних перетворювачів у гібридних малопотужних електроенергетичних системах відомо, наприклад, GEN: Georg. Eng. News, 2001. - № 3. - p. 26-31. Однак тільки розподілене підключення фотоелектричних перетворювачів до могутніх енергетичних мереж і до локальних розподілених споживачів робить сонячну енергетику найбільш ефективною, тому що дозволяє щонайкраще погоджувати циклічні процеси накопичування денної сонячної електроенергії і нічного провалу з наступним забезпеченням електроенергією під час пікових і напівпікових навантажень, підвищити ефективність діючого енергетичного устаткування, підвищити (практично наблизити до одиниці) коефіцієнт щільності навантаження й коефіцієнт мінімуму навантаження. Аналіз відомих технічних рішень у даній і суміжній областях техніки, ознаки, що відрізняють заявлений винахід від прототипу, не виявлені, а для фахівця, у даній області заявлений винахід явно не випливає з відомого рівня техніки, отже, пропоноване технічне рішення є новим і має винахідницький рівень. На фіг.1 представлена структурна схема системи генерування, накопичування і розподілу електроенергії, на фіг.2 — усереднений добовий графік енергетичної мережі, на фіг.3 — добовий режим накопичувача електроенергії при нічному заряді і ранковому розряді (А) і при денному заряді і вечірньому розряді (Б). Система складається з першої 1 і другої 2 енергетичних мереж із загальною границею 1, на якій (чи поблизу її) розташовані прикордонні перетворювачі 2 і прикордонні накопичувачі 3, генеруючі установки 4, 5, енергетичні ринки 6, 7, високовольтні лінії електропередачі 8, 9, 10, 11, 12, 13, сонячні електростанції 14...14n, 15...15n, що містять фотоелектричні перетворювачі 16...16n, 17...17n, накопичувачі електроенергії 18...18n, 19...19n, перетворювачі 20...20n, 21...21n, приєднані до енергетичних ринків 6, 7 за допомогою високовольтних ліній електропередачі 22...22n, 23...23n, причому фотоелектричні перетворювачі 16...16п, 17...17п, накопичувачі електроенергії 18...18n, 19...19n, перетворювачі напруги 16...16n і 20...20n розміщуються в безпосередній близькості від споживачів електроенергії і можуть обслуговуватися самими споживачами. Система функціонує таким чином. Ланцюжки фотоелектричних перетворювачів, що підключені до першої чи другої енергетичної мережі, виробляють електричну енергію в денний час, забезпечуючи накопичування електроенергії в першій частині накопичувача (креслення.2), друга частина накопичувача розряджається на навантаженнях споживачів електроенергії - учасників енергоринка, задовольняючи потребу першого денного піка. Потужність фотоелектричних перетворювачів і ємність накопичувачів плануються таким чином, що до моменту розряду першої частини накопичувача друга його частина заряджається від фотоелектричного перетворювача і забезпечує електроенергією другий пік денного навантаження. Після розряду першої своєї частини накопичувач буде знаходитися в стані чекання наступного денного заряду, а перша частина накопичувача буде заряджатися надлишком енергії нічного провалу в споживанні електроенергії. Накопичувач зв'язаний з енергоринком через перетворювач постійного струму в перемінний чи перемінного струму в постійний у залежності від режиму роботи. У режимі роботи на енергетичний ринок і на локальних споживачів струм фотоелектричних перетворювачів трансформується в перетворювачах напруги в перемінний струм, у режимі накопичування енергії, перемінний струм, що надходить з енергетичного ринку, перетворюється в постійний струм, якщо у якості накопичувачів використовуються хімічні джерела струму, чи в перемінний на частотах, необхідних для живлення маховичних чи компресорних накопичувачів, наприклад, розроблених у пат. США № 5448889, МПК 6 F03G 6/00, опубл. 1995 р. Безвідносно до типу накопичувачів у добовому циклі роботи накопичувачі двічі заряджаються і двічі розряджаються, забезпечуючи режим роздільного виробництва і споживання електроенергії в найбільш оптимальному режимі для системи, забезпечуючи денну і вечірню напівпікові і пікові навантаження. Сумарна потужність локальних накопичувачів може бути порівнянна з потужністю прикордонного накопичувана і дозволить знизити навантаження на прикордонну область при перетоці великих потужностей для покриття пікових навантажень і провалів при істотному поліпшенні реверсивних характеристик накопичувачів, вельма важливих у забезпеченні статичної і динамічної стійкості системи. Використання значної частки постійного струму в такій комбінованій системі генерування, накопичування і розподілу електроенергії дозволяє істотно обмежити раптові скидання потужності в аварійних режимах, нерідких у протяжних енергомережах перемінного струму, виключити резонансні явища в лініях електропостачання і збудження гармонік нижчих порядків. Повсюдна наявність сонячної енергії в межах інфраструктури фотоелектричних перетворювачів не накладає обмежень на їхню дислокацію, а сонячний фрагмент системи дозволяє одержати значні додаткові потужності екологічно чистої енергії практично без залучення непоновлюваних енергоносіїв. Система генерування, накопичування і розподілу електроенергії що заявляється, забезпечує оптимізацію функціонування паливно-енергетичного комплексу, розширення ринку виробників і споживачів електроенергії без залучення традиційних джерел енергії типу нафта, газ, вугілля, ядерне паливо.